格柵式底流消能工摻氣濃度分布規(guī)律

葛亞飛，邱 勇，吳錦鋼，周鑫宇，劉毅恒

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明650201)

0 引言

隨著水資源的不斷開發(fā)利用，水利樞紐泄水建筑物出口消能的布置難度逐漸增大，往往需要在地形條件不滿足底流消能的情況下增設(shè)輔助消能工提高消能效果或平穩(wěn)水流流態(tài)[1-2]。針對上述情況，李夢成等[3]在消力池末端布置T形消能墩，在提高消能率的同時(shí)縮短了消力池尺寸，經(jīng)濟(jì)效益顯著。魏巧等[4]和陳秋蓉等[5]認(rèn)為消力井內(nèi)布置圓孔格柵和改變格柵開孔率不僅能分割水流、增加水體摩擦，還能改善尾水水流流態(tài)提高消能率。王文兵等[6]將圓孔Γ形格柵放置在消力池中部位置，可兼顧改善入射水流消能和調(diào)整下游水流流態(tài)。

消力池底板在高速水流作用下可能發(fā)生空蝕破壞，格柵式底流消能工在改善消能效果的同時(shí)，有助于消除或減輕這種現(xiàn)象。但輔助消能工自身存在空蝕破壞的可能[7-8]。不少工程中，不僅輔助消能工本身，消力池底板也發(fā)生了嚴(yán)重空蝕破壞，如我國甘肅省黃河干流鹽鍋峽水電站、湖北省陸水河蒲沂水利樞紐，以及原蘇聯(lián)新西伯利亞水電站、美國McNary水電站等[9]。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般認(rèn)為流速v>15 m/s的部位需要進(jìn)行防空蝕設(shè)計(jì)，對于流速v>20 m/s的區(qū)域，更要加以重視[10-11]。有研究結(jié)果表明，強(qiáng)迫摻氣濃度達(dá)到2%時(shí)，固體邊界的空蝕破壞明顯減輕；摻氣濃度達(dá)7%時(shí)，空蝕破壞現(xiàn)象可基本消除，過水建筑物已不易發(fā)生空蝕破壞[12-14]。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1模型及測點(diǎn)布置

消力池布置于坡比為1∶1.5，寬150～200 mm的泄槽擴(kuò)散段后，長920 mm、寬200 mm，尾水渠i=0。消力池內(nèi)格柵布置在距泄槽擴(kuò)散段末端460 mm(1/2池長)處，如圖1所示。

圖1 格柵式底流消能工體型示意Fig.1 Schematic diagram of grid-type underflow energy dissipater

圓孔Γ形格柵長200 mm、寬110 mm、高110 mm，開孔率分別為22%、28%、34%(圖2)、40%、46%。

圖2 Γ型格柵體型(34%)Fig.2 Γ-shaped grille profile(34%)

Γ形格柵柵孔特性如表1所示。

表1 Γ形格柵特性

在消力池格柵前等間距布置1～6#測點(diǎn)(斷面)，柵后布置7#、8#測點(diǎn)(斷面)，測點(diǎn)間距均為5 cm；垂直軸線方向分別向兩側(cè)等間距(4 cm)布置2個(gè)測點(diǎn)，如圖3所示。使用CQY-3000型針式摻氣濃度流速儀進(jìn)行摻氣濃度的測定。

圖3 消力池底板測點(diǎn)布置Fig.3 Layout of measuring points on bottom of stilling pool

1.2水流結(jié)構(gòu)區(qū)域劃分

根據(jù)水流形態(tài)，結(jié)合水體的紊動(dòng)程度可劃分為強(qiáng)紊動(dòng)區(qū)和弱紊動(dòng)區(qū)，其中強(qiáng)紊動(dòng)區(qū)包括附壁射流區(qū)、上涌水突、回淹水流區(qū)、表面漩滾；弱紊動(dòng)區(qū)為柵后流速較小、水流相對平穩(wěn)的區(qū)域，如圖4所示[15]。

圖4 格柵式底流消力池水流結(jié)構(gòu)分區(qū)Fig.4 Water flow structure division of grid-type underflow stilling pool

潛射水流：入射水流進(jìn)入消力池，受底板約束，流線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，水流轉(zhuǎn)向，主流沿底板急速前行。

附壁射流區(qū)：潛射水流受下游淹沒水體作用，盡管流速沿程減小，但仍然可見較為明顯的異于回淹水流方向的附壁射流。

上涌水突：附壁射流受格柵阻擋，流線急劇偏轉(zhuǎn)，一部分沿鉛直格柵爬升，穿過水平格柵形成上涌水突。

回淹水流區(qū)：消力池進(jìn)口水流流速大，水面較低，上涌水突受下游水流頂托，形成往上游方向的回淹水流(消力池進(jìn)口可見表面漩滾)?；匮退髟谖蓜?dòng)過程中不斷卷吸周圍空氣，再疊加入射水流自摻氣，進(jìn)一步加劇了消力池內(nèi)水體的水氣摻混。

2 格柵對摻氣濃度的影響

2.1不設(shè)置格柵的消力池?fù)綒鉂舛?/h3>

不設(shè)格柵情況，流量Q=9 L/s時(shí)，測得1#斷面(0+000.050)、6#斷面(0+000.300)和7#斷面(0+000.510)軸線位置包括摻氣濃度在內(nèi)的水力特性，如表2所示。

表2 未設(shè)格柵的消力池水力特性

由表2可知，1#斷面、6#斷面和7#斷面的測點(diǎn)臨底流速分別為20.30、16.76和13.55 m/s，軸線底板近壁摻氣濃度均<1.20%，消力池進(jìn)口段存在發(fā)生空蝕破壞的可能性。

2.2設(shè)置格柵的消力池?fù)綒鉂舛?/h3>

2.2.1縱向摻氣濃度

在消力池內(nèi)增設(shè)圓孔Γ形格柵，得到柵前及柵后不同開孔率情況下測點(diǎn)的縱向摻氣濃度變化。

未設(shè)置格柵時(shí)，由于下游水深不足，消力池內(nèi)水流呈急速流動(dòng)，水體主要為自摻氣，沿程測點(diǎn)摻氣濃度均很小(最大僅為1.19%)。設(shè)置格柵以后(圖5)，在柵前形成強(qiáng)迫水躍，靠近固體邊界附近柵前回淹水體和潛射水流之間的相互碰撞、摩擦、剪切明顯加劇，柵前水體摻氣濃度大幅提升(開孔率為22%時(shí)，由0.83%提高到20.32%以上)；同時(shí)受氣體遷移擴(kuò)散(逃逸)作用，附壁射流區(qū)柵前水體摻氣濃度均沿程遞減。此外，格柵位置水體摻氣濃度出現(xiàn)明顯下降，其原因在于格柵對附壁射流水體存在一定的消能作用，位于弱紊動(dòng)區(qū)的柵后水體流速下降后(最小僅為2.03 m/s)，有利于空氣逸出。

圖5 不同開孔率下縱向摻氣濃度分布Fig.5 Vertical aeration concentration distribution under different open porosity

無論是柵前還是柵后，消力池內(nèi)摻氣濃度均隨開孔率減小而降低(柵前20.32%，柵后最小僅為8.78%)。說明開孔率減小，柵前壅水增加，包括各水流結(jié)構(gòu)分區(qū)在內(nèi)的消能水體體積增大，水氣混摻更為充分，水體流速降低，空氣出逸加快，近底摻氣濃度下降；而開孔率大，格柵對水流的切割減弱，主流相對集中，近底摻氣濃度較高。

2.2.2橫向摻氣濃度

擴(kuò)散式泄槽入池水流并不完全順邊墻有序擴(kuò)散，主流兩側(cè)存在的反向水流對消力池橫向摻氣濃度有影響?？紤]到格柵柵后水流流速小，過柵水流中的氣泡向水面擴(kuò)散加快，柵后僅選擇靠近格柵的7#測點(diǎn)進(jìn)行分析。通過測試，得到包括柵前測點(diǎn)在內(nèi)的橫向摻氣濃度，如圖6所示。不同開孔率下，測點(diǎn)斷面橫向摻氣濃度均沿中間(軸線偏右)向兩側(cè)遞減，其原因在于：入池水流主流集中于軸線附近，流速較大，面滾回流區(qū)與潛射水流交匯處卷吸空氣的能力最強(qiáng)，氣體縱向遷移速度快，空氣還來不及逸出；而兩側(cè)水體受反向水流作用，水流流速減小，水體摻入氣體速率小于出逸速率，因此摻氣濃度較小。

圖6 不同測點(diǎn)橫向摻氣濃度分布Fig.6 Distribution of lateral aeration concentration at different measuring points

受泄水建筑物進(jìn)口體型和泄槽高速水流沖擊波的共同作用，入池水流在平面上出現(xiàn)左右偏移現(xiàn)象客觀存在，致使試驗(yàn)得到的橫向摻氣濃度峰值偏于軸線一側(cè)。

2.2.3豎向摻氣濃度

根據(jù)測試，得到不同測點(diǎn)在水深方向(豎向)的摻氣濃度變化，如圖7所示。格柵上游側(cè)淹沒水深范圍之內(nèi)的測點(diǎn)斷面豎向摻氣濃度分布趨勢基本一致，開孔率的大小對摻氣濃度影響不明顯?？拷撞繐綒鉂舛戎禐?0%～35%，1/2水深以下，摻氣濃度增加速率大，水深超過一半以后，摻氣濃度增加趨勢減小，在靠近水面附近達(dá)到最大值(接近100%)。格柵下游側(cè)摻氣濃度變化相對均勻：開孔率越小，柵后豎向摻氣濃度值變化越小，最大僅為47.12%；隨開孔率增大，柵后豎向摻氣濃度值的變化趨同于柵前，但數(shù)值有降低(最大81.12%)。原因在于格柵對水體的消能作用使得柵前氣體已經(jīng)部分出逸。此外，由于格柵前后摻氣水體內(nèi)不同高度的氣泡在上涌水突附近匯聚，致使柵后靠近底部摻氣濃度較小(8.78%)。

圖7 不同開孔率下豎向摻氣濃度分布Fig.7 Vertical aeration concentration distribution under different open porosity

2.3摻氣濃度變化對空穴水流的影響

對于山區(qū)峽谷型泄水建筑物，水頭差較大。傳統(tǒng)的底流消能，入池水流的流速仍然較大，可能誘發(fā)一定范圍內(nèi)的底板發(fā)生空蝕破壞。增設(shè)格柵，一方面，有利于提高消力池消能效率；另一方面，不同開孔率下的格柵都能夠大幅提高柵前水體摻氣濃度(相比不設(shè)格柵，摻氣濃度由0.83%提高到20.32%以上)，柵后水體在靠近底板附近的摻氣濃度也能夠滿足減蝕要求(摻氣濃度由0.22%提高到8.78%以上)。也就意味著，格柵式底流消能工能夠避免或者減輕可能產(chǎn)生的空蝕破壞。

3 結(jié)論

消力池內(nèi)增設(shè)格柵后，柵前水體摻氣濃度大幅提升(超過20%)；柵后水體摻氣濃度也有增加(8.78%)。為滿足消能要求，格柵開孔率不宜太大。盡管隨開孔率減小，柵前水體流速降低，空氣出逸加快，柵前、柵后近底摻氣濃度均出現(xiàn)下降，但仍然大于減蝕要求，能夠在保證消能情況下，避免格柵和底板發(fā)生空蝕破壞。